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문제 정의
- 본 연구는 콘크리트 교량의 주요부재인 거더가 화재에 노출될 경우 이의 재료적 특성변화를 고찰하였다. 이를 위해, 실물모형의 철근 콘크리트(RC) 보를 제작하여 표준 온도곡선에 의해 가열된 화재 실험을 수행한 후 철근과 콘크리트의 화재에 의한 물리적 역학특성을 분석하고자 하였다.
제안 방법
- 또한, 화재 노출을 받은 콘크리트의 압축강도 특성을 분석하기 위하여 별도로 제작한 공시체를 가열로 내부에 배치하였다. 그러나 Fig. 12와 같이 공시체 표면에서 매우 심한 폭렬 현상이 발생하여 압축강도 측정이 불가하였기 때문에 화재 전후의 압축강도의 변화 특성은 비파괴 시험인 슈미트해머 결과와 화재 코어 공시체와의 비교만을 수행하였다.
- 11은 그의 위치이다. 슈미트해머 시험을 실시한 위치는 1/4지점, 1/2지점, 3/4지점이며 각 지점을 기준으로 RC 보의 상단, 측면, 하면의 3면에 대하여 두 지점씩 총 여섯 지점에 슈미트해머 타격시험을 실시하였다.
- 실화재를 받는 RC 보의 재료특성 분석을 위해 표준온도 곡선에 의한 화재실험을 실시하였으며 온도하중에 따른 분석 결과는 다음과 같다.
- 본 연구는 콘크리트 교량의 주요부재인 거더가 화재에 노출될 경우 이의 재료적 특성변화를 고찰하였다. 이를 위해, 실물모형의 철근 콘크리트(RC) 보를 제작하여 표준 온도곡선에 의해 가열된 화재 실험을 수행한 후 철근과 콘크리트의 화재에 의한 물리적 역학특성을 분석하고자 하였다.
- RC 보로부터 채취한 화재 코어 공시체의 경우도 화재시험으로 인하여 일부가 부서지는 현상이 발생하여 표면이 거칠게 나타났다. 이에 공시체 양면을 연마기와 절단기로 일부 절단하여 압축강도 실험이 유효한 크기로 제단하여 압축강도 시험을 진행하였다. 또한, 제단 후 짧아진 공시체의 높이에 따른 압축강도 보정을 위해 KS F 2405(Korea Standard Association, 2010)에 따라 보정계수를 적용한 압축강도로 환산하였다.
- 화재전·후 철근의 항복강도 특성 변화를 분석하고자 콘크리트 폭렬과 함께 화재에 노출된 철근 2개소와 콘크리트 폭렬이 발생하지 않은 부분에 매립되어 있는 철근 3개소에 대하여 철근을 채취하여 항복강도를 비교분석하였다. 인장실험 시 인장철근 중에 화재에 노출된 최외각 두 개의 철근과 노출되지 않은 중간부분 3개의 철근을 1 m 길이로 채취한 후 KS B 0802(Korea Standard Association, 2003) 금속재료 인장시험 방법에 따른 크기로 재단하여 철근 인장강도 시험을 실시하였다(Fig. 21).
- 철근의 경우, 화재 실험 전·후에 따른 항복강도를 분석하기 위하여 폭렬로 인하여 화재에 노출된 철근과 노출되지 않은 부분의 철근을 채취하여 항복강도를 측정하였다.
- 측정허용범위 ±20%의 측정치를 4점 이상 넘지 않게 조사하여 측정한 20지점에 대한 산술평균을 반발경도(R)로 정하며, 반발경도 보정치에 의하여 기준경도(Rc)를 산출, 이를 기초로 한 콘크리트 압축강도(Fc)를 환산 식을 통하여 추정하였으며, 사용된 압축강도 환산 식은 다음과 같다.
- 열전대 종류는 온도계측 범위가 200~1,250℃인 K 타입 열전대를 사용하였다. 콘크리트 타설 중에 열전대의 위치가 이동하는 제작오차를 사전에 방지하고자 열전대 고정형 모르타르 시편을 제작하여 열전대의 위치별로 구멍을 뚫어 열전대를 고정시킨 후, 콘크리트를 타설하기 전에 열전대의 설계위치에 고정시켰다. Fig.
- 하부로부터 가열된 가열로 내에서의 RC 보의 온도하중에 따른 콘크리트 압축강도 특성을 평가하고자 하면, 측면 및 상면에 대해 비파괴 슈미트해머 시험을 실시하였다. 타격위치는 시험 체의 1/4지점, 1/2지점, 3/4 지점이고 이 지점들에서의 반발경도 측정을 수행하였다.
- 화재 실험 중 콘크리트 부재 내에 온도분포를 알아보기 위하여 Fig. 3에 나타낸바와 같이 지간의 1/4 및 1/2 지점에 열전대를 설치하였다. 열전대 종류는 온도계측 범위가 200~1,250℃인 K 타입 열전대를 사용하였다.
- 화재 실험전·후에 따른 표준공시체, 화재 코어 공시체 및 화재 철근을 통하여 화재가 콘크리트와 철근에 미치는 영향을 분석하였다.
- 화재가 콘크리트 압축강도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 공시체 2개는 화재실험 시 가열로 내부에 배치하였고, 나머지 공시체 3개는 화재강도 전·후의 콘크리트 압축강도 변화를 직접 비교하고자 표준공시체로서 제작하였다.
- 화재전·후 철근의 항복강도 특성 변화를 분석하고자 콘크리트 폭렬과 함께 화재에 노출된 철근 2개소와 콘크리트 폭렬이 발생하지 않은 부분에 매립되어 있는 철근 3개소에 대하여 철근을 채취하여 항복강도를 비교분석하였다.
대상 데이터
- Fig. 7(a)는 화재실험에서 적용된 온도곡선이며 국제 규격에 맞는 ISO 834 온도곡선을 사용하였다. 하중가열은 Fig.
- 시험체 제작에 사용한 콘크리트는 압축강도 27 MPa, 슬럼프 180 mm의 특성을 가지는 콘크리트를 사용하여 타설하였다. Fig.
- 압축강도 측정을 위하여 Φ100×200 mm의 공시체 5개를 제작하였다.
- 5(a)는 거푸집 내부에 철근과 스터럽을 설치한 모습이며, 철근의 배근은 인장철근 D16 철근 5개를 설치하였다. 압축철근은 D16 철근 3개를 설치하였으며 스터럽은 D10 철근을 절곡시켜250 mm 간격으로 설치하였다.
- 3에 나타낸바와 같이 지간의 1/4 및 1/2 지점에 열전대를 설치하였다. 열전대 종류는 온도계측 범위가 200~1,250℃인 K 타입 열전대를 사용하였다. 콘크리트 타설 중에 열전대의 위치가 이동하는 제작오차를 사전에 방지하고자 열전대 고정형 모르타르 시편을 제작하여 열전대의 위치별로 구멍을 뚫어 열전대를 고정시킨 후, 콘크리트를 타설하기 전에 열전대의 설계위치에 고정시켰다.
- 추가적인 압축강도 특성 비교를 위한 슈미트해머는 측정지점(경간 1/4, 1/2, 3/4 지점)에서 가로 30 mm 간격 5줄, 세로 30 mm 4줄을 그어 교차점에서 측정한 반발경도 20개의 자료를 활용하였다. 측정허용범위 ±20%의 측정치를 4점 이상 넘지 않게 조사하여 측정한 20지점에 대한 산술평균을 반발경도(R)로 정하며, 반발경도 보정치에 의하여 기준경도(Rc)를 산출, 이를 기초로 한 콘크리트 압축강도(Fc)를 환산 식을 통하여 추정하였으며, 사용된 압축강도 환산 식은 다음과 같다.
- 화재 실험 전·후의 콘크리트 압축강도에 따른 열 특성을 파악하기 위하여, 화재 후 비파괴 시험인 슈미트해머 타격과 화재 코어 공시체를 채취했으며 Fig. 11은 그의 위치이다.
- 화재 코어 공시체는 하면의 폭렬범위, 시험 체의 길이, 코어시험기의 앵커위치 등을 종합적으로 고려하여 총 6개소에 대하여 채취하였다. 또한, 화재 노출을 받은 콘크리트의 압축강도 특성을 분석하기 위하여 별도로 제작한 공시체를 가열로 내부에 배치하였다.
- 화재시험에 적합한 철근 콘크리트(RC) 보 시험 체의 제원은 KS F 2257(Korea Standard Association, 2011; Ministry of land, Infrastructure and Transport, 2012) 건축 부재의 내화실험 보의 성능조건에 따라, 단순 지지되는 시험 체의 최소 가열 길이 4 m를 고려하여 총 길이를 4.7 m로 결정하였다(Fig. 3).
이론/모형
- 이에 공시체 양면을 연마기와 절단기로 일부 절단하여 압축강도 실험이 유효한 크기로 제단하여 압축강도 시험을 진행하였다. 또한, 제단 후 짧아진 공시체의 높이에 따른 압축강도 보정을 위해 KS F 2405(Korea Standard Association, 2010)에 따라 보정계수를 적용한 압축강도로 환산하였다.
성능/효과
- RC 보로부터 채취한 화재 코어 공시체의 경우도 화재시험으로 인하여 일부가 부서지는 현상이 발생하여 표면이 거칠게 나타났다. 이에 공시체 양면을 연마기와 절단기로 일부 절단하여 압축강도 실험이 유효한 크기로 제단하여 압축강도 시험을 진행하였다.
- 구조해석 결과 시험 체의 균열모멘트(Mcr) 및 자중에 의한 발생모멘트(Ma)의 값은 각각 27.6 kN·m, 0.037 kN·m로 균열발생의 가능성은 거의 없는 응력수준인 것으로 검토되었다.
- 22). 도로교설계기준(2010)에 의한 SD40 철근의 허용인장응력인 160 MPa 값과의 비교 결과, 화재에 노출된 철근의 경우 378 MPa의 항복강도를 나타내어 최소 인장강도의 안전성은 확보된 것으로 분석되었다. 그러나, 이 실험에서의 인장강도는 화재 후 충분한 냉각기를 거쳐재료의 탄성복원력이 일정부분 반영된 결과이다.
- 화재에 노출되지 않은 공시체의 압축강도의 평균값은 약 32 MPa이었으며 화재 노출 후의 콘크리트 공시체의 경우 압축강도의 평균값은 약 11 MPa로 화재시험 전에 비하여 약 66%정도의 강도저하가 발생함을 확인하였다. 도로교설계기준(2010)에 의한 허용휨압축응력(0.4fck)으로 계산된 12.8 MPa과의 비교 결과, 화재 노출 후 시험된 공치세의 압축강도는 11 MPa로서 설계기준상의 허용휨압축응력을 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 따라서, 이 실험에서의 화재강도를 받는 콘크리트는 압축강도 안전성을 확보할 수 없는 것으로 판단된다.
- 8 MPa과의 비교 결과, 화재 노출 후 시험된 공치세의 압축강도는 11 MPa로서 설계기준상의 허용휨압축응력을 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. 따라서, 이 실험에서의 화재강도를 받는 콘크리트는 압축강도 안전성을 확보할 수 없는 것으로 판단된다.
- 화재강도를 받지 않은 표준공시체의 경우 약 32 MPa의 압축강도를 나타냈으며, 화재강도를 받은 화재 코어 공시체의 경우 약 11 MPa로 약 66%의 강도저하가 발생하였다. 또한, 비파괴 시험인 슈미트해머를 이용하여 압축강도를 추정한 결과, 1/4지점에서 화재시험 전 압축강도 평균 약 29 MPa, 화재시험 후 평균 약 11 MPa이 측정되었다. 분석결과, 화재시험 전 압축강도 평균 약 30 MPa, 화재시험 후 평균 약 11 MPa로 측정되어 화재시험 후 압축강도가 약 66%정도 저하되는 것으로 나타났다.
- 따라서, 적용된 온도곡선일지라도 가열 환경에 따라 콘크리트 부재가 직접 받는 온도하중은 차이가 있을 수 있기 때문에 열전대와 같은 실제적인 온도계측이 필요하다. 또한, 콘크리트 피복두께에 따른 온도분포는 피복의 두께가 깊어질수록 온도가 저하되는 일반적인 상황을 나타내었으며 깊이별로 그 차이가 커졌으나, 온도증가의 경향은 유사한 것을 확인하였다. 화재 실험 결과, 철근의 경우, 콘크리트 내화피복에 의하여 적절히 보호되어 있기 때문에 4시간의 화재 실험 후 온도는 하면 C-16는 700℃, 측면 C-12는 600℃로 계측되어 내화 한계온도의 최댓값인 649℃(Korea Standard Association, 2011) 이내이거나 크게 상회하지 않는 것으로 나타났다.
- 분석 결과, 화재강도를 받지 않은 시험 체의 압축강도는 약 30 MPa이였으며 화재강도를 간접적으로 받은 상면지점의 압축강도는 1/4지점과 3/4지점에서 평균 약 26 MPa로 약 4 MPa의 압축강도 저하를 보인 반면, 1/2지점의 경우 평균 약 18 MPa로 약 12 MPa의 압축강도 저하를 나타냈다. 반면, 화재강도를 직접적으로 받은 측면 및 하면 부분의 압축강도는 평균 약 11 MPa로 화재시험 전에 비하여 약 66%의 압축강도저하를 나타내었다.
- 또한, 비파괴 시험인 슈미트해머를 이용하여 압축강도를 추정한 결과, 1/4지점에서 화재시험 전 압축강도 평균 약 29 MPa, 화재시험 후 평균 약 11 MPa이 측정되었다. 분석결과, 화재시험 전 압축강도 평균 약 30 MPa, 화재시험 후 평균 약 11 MPa로 측정되어 화재시험 후 압축강도가 약 66%정도 저하되는 것으로 나타났다. 단, 공시체의 경우, 온도하중을 모든 부피에서 직접적으로 받은 극한 환경에 노출된 경우이기 때문에 콘크리트 부재의 압축강도 저하를 직접적으로 대표할 수 없을 것으로 사료된다.
- 16은 화재 노출 전·후 슈미트 해머로 측정한 콘크리트 압축강도 변화 이력이다. 슈미트해머에 의해 추정된 1/4지점에서의 화재시험 전 압축강도는 평균 약 28 MPa이였으며 화재시험 후 같은 지점에서 측정한 압축강도는 평균 약 11 MPa로 나타났다.
- 시험체 하면의 최고온도는 약 1,060℃로 측정되었으나 측면의 경우 최고온도 940℃로 측정되었다. 이는 고온 챔버에 화재가 적용될 경우 전단면에서 유사한 온도분포를 예측하였으나 실제의 경우는 다소 차이가 있음을 확인하였다. 이러한 경우는 교량 거더 하면의 화재를 예상하였을 때 하면과 측면의 온도차가 더 커질수 있음을 반증하는 결과이다.
- 인장강도 측정 결과 화재에 노출되지 않은 철근에 비하여 약 75 MPa의 강도저하를 나타내었다(Fig. 22). 도로교설계기준(2010)에 의한 SD40 철근의 허용인장응력인 160 MPa 값과의 비교 결과, 화재에 노출된 철근의 경우 378 MPa의 항복강도를 나타내어 최소 인장강도의 안전성은 확보된 것으로 분석되었다.
- 037 kN·m로 균열발생의 가능성은 거의 없는 응력수준인 것으로 검토되었다. 처짐 검토결과, 0.295 mm로 계산되었으며, 콘크리트 구조설계기준(2010)에 명시된 허용처짐값 기준 l/360의 13.1 mm와 비교하면 화재 실험을 위한 RC 보 시험 체는 자중에 의한 처짐 발생을 고려하지 않아도 되는 수준으로 평가되었다.
- 철근의 경우, 화재 실험 전·후에 따른 항복강도를 분석하기 위하여 폭렬로 인하여 화재에 노출된 철근과 노출되지 않은 부분의 철근을 채취하여 항복강도를 측정하였다. 콘크리트 폭렬에 의해 화재에 직접 노출된 철근의 경우 노출되지 않은 철근에 비해 약 17%에 해당하는 75 MPa의 인장강도 저하를 나타낸 것으로 분석되었다. 이 실험에서의 인장강도는 화재 후 충분한 냉각기를 거쳐 재료의 탄성복원력이 일정부분 반영된 결과이다.
- 폭렬이 발생하지 않았던 부분에 매립되었던 철근은 평균 약 453 MPa의 항복강도를 나타내었으며, 폭렬로 인해 화재에 노출된 철근의 경우 평균 약 378 MPa의 항복강도를 나타내었다.
- 화재 실험 결과, 철근의 경우 콘크리트라는 우수한 내화피복에 의하여 보호되어 극한 온도하중인 약 4시간(240분)의 화재 실험에서도 온도는 한계온도의 최댓값인 649℃를 크게 상회하지 않는 것으로 나타났다. 내화설계기준에서 고려하는 철근의 한계온도를 기준으로 할 때 발생하는 콘크리트의 성능저하로 인하여 전체 구조물의 안전성에 심각한 영향을 미칠 수도 있다.
- 또한, 콘크리트 피복두께에 따른 온도분포는 피복의 두께가 깊어질수록 온도가 저하되는 일반적인 상황을 나타내었으며 깊이별로 그 차이가 커졌으나, 온도증가의 경향은 유사한 것을 확인하였다. 화재 실험 결과, 철근의 경우, 콘크리트 내화피복에 의하여 적절히 보호되어 있기 때문에 4시간의 화재 실험 후 온도는 하면 C-16는 700℃, 측면 C-12는 600℃로 계측되어 내화 한계온도의 최댓값인 649℃(Korea Standard Association, 2011) 이내이거나 크게 상회하지 않는 것으로 나타났다.
- 화재 실험 진행 중 시험 체의 온도가 상승하면서 RC 보 하면에 폭렬이 발생함으로써 인장철근의 일부가 화재에 노출되었다. 화재시험 후 시험체에서 채취한 화재에 노출된 철근은 화재에 따라 철근표면 일부가 녹은 흔적이 발견되었으며 이는 철근채취 후 콘크리트 표면에 식별되는 흔적으로 확인되었다(Fig. 20). 화재전·후 철근의 항복강도 특성 변화를 분석하고자 콘크리트 폭렬과 함께 화재에 노출된 철근 2개소와 콘크리트 폭렬이 발생하지 않은 부분에 매립되어 있는 철근 3개소에 대하여 철근을 채취하여 항복강도를 비교분석하였다.
- 화재실험 결과, 시험 체의 온도가 상승하면서 RC 보 하면에 폭렬이 발생한 것으로 나타났다. 화재 실험 전·후의 콘크리트 압축강도에 따른 열 특성을 파악하기 위하여, 화재 후 비파괴 시험인 슈미트해머 타격과 화재 코어 공시체를 채취했으며 Fig.
- 13은 화재 노출 전·후 콘크리트 공시체의 압축강도 변화 이력이다. 화재에 노출되지 않은 공시체의 압축강도의 평균값은 약 32 MPa이었으며 화재 노출 후의 콘크리트 공시체의 경우 압축강도의 평균값은 약 11 MPa로 화재시험 전에 비하여 약 66%정도의 강도저하가 발생함을 확인하였다. 도로교설계기준(2010)에 의한 허용휨압축응력(0.
후속연구
- 그러나, 이 실험에서의 인장강도는 화재 후 충분한 냉각기를 거쳐재료의 탄성복원력이 일정부분 반영된 결과이다. 따라서, 화재를 받는 RC 보의 철근 인장강도 특성에 대해서는 하중재하 화재실험을 추가적으로 실시하여 인장철근의 물리적 특성을 분석해야 할 것으로 판단된다.
- 이 실험에서의 인장강도는 화재 후 충분한 냉각기를 거쳐 재료의 탄성복원력이 일정부분 반영된 결과이다. 따라서, 화재를 받는 콘크리트 휨부재의 철근 인장강도 특성에 대해서는 외력이 가해진 상태에서 화재실험을 추가적으로 실시하여 화재하에서의 인장철근의 역학적 기여도 등을 분석해야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서의 화재 실험은 열전달 특성만을 검토하기 위한 비재하 실험으로서 화재 실험시 열전달 특성에 영향을 미칠 수 있는 구조적 변수인 균열과 처짐 등의 발생을 방지하여야 한다. 따라서, 설계된 RC 보 시험체가 균열 및 처짐에 대해 충분히 안전한지를 확인할 필요성이 있다.
- 이에 따라 교량구조물의 화재의 위험성에 대해 신중하게 고려되지 못하여 왔다. 하지만 교량의 경우 화재에 의한 직접적 피해보다는 도로기능의 상실이라는 간접피해가 매우 크므로 이러한 구조물의 실화재 노출에 관한 연구와 설계기준 등의 준비가 반드시 필요할 것으로 판단된다. 또한 실물크기의 교량 등과 같은 건설구조물을 실화재에 노출하는 실험적 연구는 규모 및 비용에 따라 매우 제한적 일수 밖에 없다.
- 내화설계기준에서 고려하는 철근의 한계온도를 기준으로 할 때 발생하는 콘크리트의 성능저하로 인하여 전체 구조물의 안전성에 심각한 영향을 미칠 수도 있다. 향후 내화설계인자 분석을 위해 화원 크기 및 외부하중 작용에 대한 영향이 고려된 실험연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 단, 공시체의 경우, 온도하중을 모든 부피에서 직접적으로 받은 극한 환경에 노출된 경우이기 때문에 콘크리트 부재의 압축강도 저하를 직접적으로 대표할 수 없을 것으로 사료된다. 향후 실제 화재 환경을 고려한 콘크리트 강도저하 평가의 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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